重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛關(guān)鍵平穩(wěn)性操控方法研究

楊振國(guó)

摘要：近年來，我國(guó)重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛技術(shù)快速發(fā)展，通過對(duì)重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛關(guān)鍵平穩(wěn)性操控方法進(jìn)行研究，可以提高機(jī)車操作的一致化水平，大大降低司機(jī)工作強(qiáng)度的同時(shí)確保機(jī)車能安全平穩(wěn)操控。本文研究的關(guān)鍵平穩(wěn)性 操控方法可以確保機(jī)車自動(dòng)駕駛功能安全實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)全過程的列車自動(dòng)駕駛運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：重載貨運(yùn)列車;自動(dòng)駕駛;操控方法

1.引言

本文主要研究重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵平穩(wěn)性操控方法，可以實(shí)現(xiàn)重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛在不同運(yùn)用場(chǎng)景下可以自動(dòng)操控機(jī)車的牽引、制動(dòng)用以降低機(jī)車牽引能耗，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制列車安全、平穩(wěn)、節(jié)能運(yùn)行。

2.列車模型的建立

列車模型主要包括列車運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型和列車能耗模型，在滿足約束條件給定的情況下，構(gòu)建列車數(shù)學(xué)模型，找尋消耗能源低的控制方法，形成列車最優(yōu)的平穩(wěn)性操控策略[1]。

2.1 列車運(yùn)動(dòng)模型的建立

重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛平穩(wěn)性操控方法研究以列車動(dòng)力學(xué)和運(yùn)行時(shí)因牽引和制動(dòng)產(chǎn)生的車鉤力分析為依據(jù)，列車牽引計(jì)算主要以列車的縱向力為對(duì)象，而列車所受的縱向力主要由牽引力、電制力和運(yùn)行過程中受到的阻力構(gòu)成。

F為驅(qū)動(dòng)列車向前運(yùn)行的牽引力，由牽引電機(jī)根據(jù)牽引功率提供;B為與牽引力方向相反的制動(dòng)力;W為列車運(yùn)行過程中所受到的各種阻力，可以得到列車合力的表達(dá)式：

列車在運(yùn)行過程中對(duì)當(dāng)前列車所處位置、速度、和工況等實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行采集后用于處理所得到的合力，由此可以構(gòu)建列車運(yùn)行狀態(tài)中合力變化的模型，列車運(yùn)動(dòng)方程可以表達(dá)為[2]：

公式（2）中v為列車當(dāng)前運(yùn)行的速度，t為運(yùn)行的時(shí)間，c為所受的列車合力，ξ為加速系數(shù)。根據(jù)此方程式建立的數(shù)學(xué)模型可以用于貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)平穩(wěn)性操控方法的研究。列車的縱向動(dòng)力學(xué)主要以非穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的牽引和制動(dòng)為主要研究對(duì)象，需要不斷提取司機(jī)的優(yōu)秀操作方法作為控制經(jīng)驗(yàn)加以研究，用以對(duì)貨運(yùn)列車的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 約束條件

重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛在控制列車運(yùn)行過程中會(huì)受到各種條件的約束，如列車限速約束、列車停車距離精度約束等。

（1）列車限速約束

重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛在控車過程中，實(shí)際運(yùn)行速度必須要比列車運(yùn)行監(jiān)控裝置ATP速度要低，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中Vs表示列車運(yùn)行的實(shí)際速度，Vmax表示區(qū)間行駛線路上最高限速。

（2）列車停車距離約束

重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛控制列車停車時(shí)要求機(jī)車頭部不能超過前方信號(hào)機(jī)

位置，列車尾部必須保證已經(jīng)過標(biāo)，所以列車停車距離精度的表達(dá)式為：

其中L表示自動(dòng)駕駛控制停車的最大誤差距離，Y表示停車所能允許的最大誤差距離。

3.關(guān)鍵平穩(wěn)性操控方法研究與驗(yàn)證

重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)根據(jù)機(jī)車運(yùn)用進(jìn)行場(chǎng)景分析，可以得出自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中過程控制需求，不同的場(chǎng)景采用不同的操控方法進(jìn)行控制。

3.1自動(dòng)駕駛行程規(guī)劃策略

當(dāng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)LKJ數(shù)據(jù)版本正確且獲取LKJ揭示信息后，根據(jù)機(jī)車特性以及從各個(gè)通信接口獲取的列車、線路信息，按照行車的要求規(guī)范約束，進(jìn)行行程規(guī)劃。

3.2列車運(yùn)行速度控制策略

基于列車編組、機(jī)輛特性、運(yùn)行揭示信息、線路限速、車站、信號(hào)燈等多種因素，進(jìn)行多目標(biāo)實(shí)時(shí)規(guī)劃，規(guī)劃不超速、滿足運(yùn)行時(shí)間要求、符合運(yùn)輸操作規(guī)程的速度曲線和列車操縱指令序列。

列車運(yùn)行速度控制策略為;系統(tǒng)根據(jù)行程規(guī)劃，輸出合理的級(jí)位手柄信息控制列車運(yùn)行;系統(tǒng)根據(jù)行程規(guī)劃，輸出合理的空氣制動(dòng)指令控制列車減速運(yùn)行;系統(tǒng)按照規(guī)劃的目標(biāo)輸出牽引、電制動(dòng)、空氣制動(dòng)控制指令，如果實(shí)際運(yùn)行速度低于目標(biāo)速度，追加牽引力或減小電制動(dòng)力;如果實(shí)際速度高于目標(biāo)速度，減小牽引力或追加制動(dòng)力，系統(tǒng)通過控制牽引和電制以及空氣制動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)列車運(yùn)行速度。

3.3牽引和電制動(dòng)控制策略

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過通信接口向機(jī)車控制系統(tǒng)（TCMS）發(fā)送牽引或電制工況以及等效手柄級(jí)位目標(biāo)值，TCMS系統(tǒng)按照工況和級(jí)位要求執(zhí)行牽引或電制動(dòng)后，將牽引或電制動(dòng)的實(shí)際力數(shù)值通過通信接口反饋給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過反饋數(shù)值監(jiān)測(cè)指令是否執(zhí)行到位，并修正控制指令的目標(biāo)值。

3.4空氣制動(dòng)控制策略

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過通信接口向制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送空氣制動(dòng)目標(biāo)值，包括列車管壓力目標(biāo)值和制動(dòng)缸壓力目標(biāo)值。制動(dòng)系統(tǒng)按照壓力目標(biāo)值執(zhí)行空氣制動(dòng)指令后，將列車管和制動(dòng)缸的實(shí)際壓力數(shù)值通過通信接口反饋給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過反饋數(shù)值監(jiān)測(cè)空氣制動(dòng)指令是否執(zhí)行到位。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過與制動(dòng)機(jī)的通信接口，根據(jù)實(shí)際需求操控列車按規(guī)劃速度運(yùn)行、空氣制動(dòng)調(diào)速、貫通試驗(yàn)、停車以及追加減壓防溜等給制動(dòng)機(jī)發(fā)送相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣制動(dòng)的控制。

3.5安全故障控制策略

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在控車過程中與LKJ通信故障或與CCU通信中斷時(shí)，系統(tǒng)按照減速停車進(jìn)行防護(hù)，實(shí)施50kPa空氣制動(dòng)，控制列車減速并停車。在LKJ通信故障恢復(fù)之前，不允許再進(jìn)入自動(dòng)駕駛。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在控車過程中與列尾通信發(fā)生中斷或發(fā)生影響自動(dòng)駕駛正常工作的故障時(shí)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)按照減速停車導(dǎo)向進(jìn)行防護(hù)。

4.結(jié)語

本文對(duì)重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛關(guān)鍵控制策略進(jìn)行了研究，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在采用該最優(yōu)控制策略后，可以提高列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性、節(jié)能性，能夠很好地運(yùn)用在重載貨運(yùn)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，為我國(guó)重載貨運(yùn)機(jī)車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的全面推廣提供了理論依據(jù)和支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]程茗. 貨運(yùn)列車控制策略仿真分析研究[D]. 北京交通大學(xué)， 2015.

[2]黃麗珍， 王昊， 王烈. 機(jī)車牽引能源消耗因素分析及計(jì)算模型研究[J]. 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)， 2014， 36（9）：88-92.

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